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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Diffusionswiderstandes einer Membran nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
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Zur Beurteilung von technischen oder biologischen Membranen ist beispielsweise das Diffusionsverhalten der Membranen interessant. Eine biologische Membran kann beispielsweise die Hautoberfläche sein. Im bisherigen Stand der Technik wird häufig die Diffusionsrate eines Stoffs durch die Membran bestimmt und diese als Maßstab für das Diffusionsverhalten der Membran herangezogen. Dafür werden Geräte verwendet, wie sie beispielsweis in der
DE 25 53 377 beschrieben sind. Derartige Geräte weisen zumindest eine Messeinheit zur Messung der von einer Membran, beispielsweise der Hautobfläche, durch Diffusion abgegebenen Menge eines Stoffs auf, wobei die zumindest eine Messeinheit eine Messkammer mit mindestens zwei Öffnungen aufweist, wobei eine der mindestens zwei Öffnungen auf der zu untersuchenden Membran platzierbar ist, und wobei in der Messkammer mindesten zwei Sensoren angeordnet sind, wobei die Sensoren beim Messen in unterschiedlichen Abständen von der zu untersuchenden Membran angeordnet sind.
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Auf diese Weise wird die Diffusionsrate bestimmt. Die Diffusionsrate hat jedoch den Nachteil, dass diese von den Umgebungsbedingungen abhängt.
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Es besteht daher zunehmend der Bedarf, eine festen Größe zu messen, die eine direkte Aussage über die Diffusionseigenschaften der Membran erlaubt und nicht oder nur unwesentlich von den Umgebungsbedingungen abhängt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine feste Größe für das Diffusionsverhalten einer Membran zu bestimmen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 17.
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Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die zumindest eine Messeinheit einen veränderbaren Diffusionswiderstand aufweist oder zumindest zwei Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen vorgesehen sind.
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Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass dadurch, dass die Messeinheit einen veränderbaren Diffusionswiderstand aufweist oder zumindest zwei Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen vorgesehen sind, zumindest zwei Messungen durchgeführt werden mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen der Messeinheit. Auf diese Weise kann der Diffusionswiderstand der Membran bestimmt werden. Weiter unten wird beschrieben, wie die Bestimmung erfolgt.
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Die Messkammer der zumindest einen Messeinheit kann eine Länge und einen minimalen Messkammerquerschnitt aufweisen, wobei die Länge der Messkammer sich vorzugsweise in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der untersuchenden Membran erstreckt. Der minimale Messkammerquerschnitt verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der untersuchenden Membran. Der minimale Messkammerquerschnitt ist der Querschnitt der Messkammer, der am kleinsten ist. Die Länge der zumindest einen Messkammer kann verstellbar bzw. veränderbar sein. Durch Verstellung bzw. Veränderung der Länge der zumindest einen Messkammer kann der Diffusionswiderstand verstellt bzw. verändert werden. Die zumindest zwei Messeinheiten können unterschiedliche Längen aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen verwendet werden.
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Der minimale Messkammerquerschnitt der zumindest einen Messeinheit kann verstellbar bzw. veränderbar sein.
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Die mindestens zwei Messeinheiten können unterschiedlich minimale Messkammerquerschnitte aufweisen. Auch dadurch, dass die Messeinheiten unterschiedliche minimale Messkammerquerschnitte aufweisen, weisen diese Messeinheiten unterschiedliche Diffusionswiderstände auf.
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Der minimale Messkammerquerschnitt kann an der der Membran abgewandten Öffnung der Messkammer angeordnet sein und durch eine variable Blende ausgebildet sein.
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Die Länge und der Messkammerquerschnitt der Messeinheit beeinflussen den Diffusionswiderstand. Dadurch, dass entweder Länge und/oder Messkammerquerschnitt verändert wird, wird auch der Diffusionswiderstand verändert. Einerseits kann nur eine einzelne Messeinheit verwendet werden, wobei diese derart verstellt werden kann, dass der Diffusionswiderstand der Messeinheit verstellt werden kann, oder aber es können mindestens zwei Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen verwendet werden.
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Es kann ein Verlängerungselement vorgesehen sein, das auf die mindestens eine Messeinheit aufsetzbar ist, wobei das Verlängerungselement eine Verlängerungskammer aufweist mit einer ersten und einer zweiten Öffnung, wobei einer der beiden Öffnungen auf der der Membran abgewandten Öffnung der Messkammer aufsetzbar ist, so dass die Länge der Messkammer verlängerbar ist.
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Auf diese Weise kann die Länge der Messkammer geändert werden, wodurch der Diffusionswiderstand der Messkammer verändert wird.
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Die mindestens eine Messeinheit kann in einem ersten Messkopf angeordnet sein.
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Es können auch mehrere Messeinheiten in dem ersten Messkopf angeordnet sein.
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Die mehreren Messeinheiten können jeweils Messkammern aufweisen, die derart miteinander verbunden sind, dass sie eine gemeinsame Öffnung aufweisen, die auf der Membran aufliegt und jede Kammer kann jeweils eine separate zweite Öffnung aufweisen, die jeweils auf der von der Membran abgewandten Seite der Messeinheit angeordnet sind. In dem Bereich der Messkammern, die voneinander separat angeordnet sind, können jeweils die ersten und zweiten Sensoren der jeweiligen Messeinheit angeordnet sein, die jeweils, bezogen auf die Messeinheit, einen unterschiedlichen Abstand von der Membran aufweisen.
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Es können mehrere Messköpfe vorgesehen sein, wobei in jedem Messkopf eine Messeinheit angeordnet ist.
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Es kann zumindest eine erste Messung mit einem ersten Diffusionswiderstand und zumindest eine zweite Messung mit einem zweiten Diffusionswiderstand durchführbar sein.
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Die erste Messung und die zweite Messung können zeitgleich ausführbar sein.
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Die erste Messung und die zweite Messung können alternativ auch zeitlich nacheinander ausführbar sein.
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Zeitgleich können die erste Messung und die zweite Messung dann ausgeführt werden, wenn zumindest zwei Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen verwendet werden, die zeitgleich auf die zu untersuchenden Membran aufgesetzt werden.
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Die erste Messung und die zweite Messung können insbesondere dann zeitlich nacheinander ausführt werden, wenn der Diffusionswiderstand einer einzelnen Messeinheit verstellt wird.
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Es kann eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, die die zumindest eine erste Messung und die zumindest eine zweite Messung erhält und durch Auswertung der zumindest einen ersten Messung und der zumindest einen zweiten Messung und den Diffusionswiderstand der Membran bestimmt. Es kann auch eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen sein, die den Diffusionswiderstand der Membran anzeigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein Verfahren zur Bestimmung des Diffusionswiderstands einer Membran vorgesehen sein, das die folgenden Merkmale aufweist:
- - Durchführen zumindest einer ersten und zumindest einer zweiten Messung einer Menge zumindest eines Stoffs mit zumindest einer Messeinheit, wobei der Stoff von einer Membran durch Diffusion in die Umgebung abgegeben wird, die gleichmäßig von den weiteren Stoffen erfüllt ist,
- - wobei die erste Messung mit einem ersten Diffusionswiderstand und die zumindest eine zweite Messung mit einem zweiten Diffusionswiderstand erfolgt,
- - Bestimmen des Diffusionswiderstands der Membran mit Hilfe der zumindest einen ersten und der zumindest einen zweiten Messung.
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Der erste Diffusionswiderstand bezieht sich jeweils auf die zumindest eine Messeinheit. Die erste Messung und die zweite Messung können mit zumindest einer Messeinheit mit veränderbarem Diffusionswiderstand oder von zumindest zwei Messeinheiten mit jeweils unterschiedlichen Diffusionswiderständen durchgeführt werden.
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Die erste und zweite Messung können zeitgleich oder alternativ zeitlich nacheinander ausgeführt werden.
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Auch bei dem Verfahren zur Bestimmung des Diffusionswiderstands weist die verwendete Messeinheit eine Messkammer mit mindestens zwei Öffnungen auf, wobei eine der mindestens zwei Öffnungen auf der zu untersuchenden Membran platzierbar ist, und wobei in der Messkammer mindesten zwei Sensoren angeordnet sind, wobei die Sensoren beim Messen in unterschiedlichen Abständen von der zu untersuchenden Membran angeordnet sind.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Ersatzschaltbild der Diffusion durch Membran und Messgerät,
- 3 ein Schnitt durch die Messeinheit mit verstellbarer Länge,
- 4 zwei Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen,
- 5 eine Messeinheit mit verstellbarem Diffusionswiderstand,
- 6 ein Messkopf mit mehreren Messeinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen, und
- 7 ein Messkopf mit mehreren Diffusionseinheiten mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen.
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1 zeigt eine Messvorrichtung 1 zur Messung der von einer Membran durch Diffusion abgegebenen Menge eines Stoffs. Die Messvorrichtung 1 weist einen Griff 10 auf. An dem Griff 10 ist ein Messkopf 3 mit einer Messeinheit 5 angeordnet. Die Messeinheit 5 weist eine Messkammer 7 auf. Die Messkammer 7 weist mindestens zwei Öffnungen 4,6 auf, wobei eine der mindestens zwei Öffnungen 6 auf der zu untersuchenden Membran 2 platzierbar ist. In der Messkammer 7 sind mindestens zwei Sensoren 8,9 angeordnet, wobei die Sensoren beim Messen in unterschiedlichen Abständen von der zu untersuchenden Membran 2 angeordnet sind.
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Die Messvorrichtung 1 ist mit einer Auswerteeinrichtung 14 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 14 kann mit einer Anzeigeeinrichtung 16 verbunden sein.
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Die zu untersuchende Membran 2 kann eine technische oder biologische Membran sein. Insbesondere kann die Membran eine Hautoberfläche sein.
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2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Diffusion durch Membran und Messgerät. Daraus ist zu entnehmen, dass der gesamte Diffusionswiderstand sich aus dem Diffusionswiderstand der Membran und dem Diffusionswiderstand der Messvorrichtung zusammensetzt.
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Die Erfindung dient der Messung des Diffusionswiderstandes RM der Membran. Dazu wird ein die zuvor beschriebenes Messvorrichtung dahingehend modifiziert, dass es die Diffusionsraten Ei bei verschiedenen Diffusionswiderständen Ri der Messeinheit bestimmt. Der Gesamtwiderstand pi von Membran und Messeinheit ist gegeben durch ρi = RM + Ri
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In
2 ist das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung dargestellt. Mit Hilfe eines Messgeräts nach dem oben beschriebenen Prinzip wird auf der Membran die Diffusionsrate E bestimmt. Die folgende Gleichung setzt Diffusionswiderstand und Diffusionsrate mit der treibenden Konzentrationsdifferenz in Beziehung:
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Möchte man die unbekannte Größen RM und ΔX gleichzeitig bestimmen benötigt man wenigstens zwei Messungen der Diffusionsrate Ei mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen der Messeinheit Ri .
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Daraus ergibt sich das folgende lineare Gleichungssystem:
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In Matrixform lautet es:
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Der variable Diffusionswiderstand
Ri der Messeinheit kann durch Berechnung oder vorherige Kalibrierung bestimmt werden. Bei einem zylindrisch aufgebauten Messkammer der Messeinheit mit dem Durchmesser d und der Länge I lautet die Formel zu Berechnung des Diffusionswiderstandes
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Dabei ist D der Diffusionskoeffizient der beteiligten Stoffe in der Einheit m2/s. Der Diffusionskoeffzient der beteiligten Stoffpaare, beispielsweise Wasserdampf in Luft, kann gängigen Tabellenwerken für die jeweilige Temperatur und den jeweiligen Luftdruck entnommen werden.
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Für andere Bauformen der Messkammer der Messeinheit, die keine Zylinderform aufweist, kann der Diffusionswiderstand empirisch, z.B. durch Messung der Diffusionsrate auf einer Quelle mit bekanntem Diffusionswiderstand oder durch Modellrechnungen wie einer Finite-Elemente-Modellierung der Messkammer bestimmt werden. Der Diffusionswiderstand Ri des Messgeräts ist somit bekannt.
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Das oben aufgeführte Gleichungssystem (3) kann damit für die unbekannten Größen RM und ΔX gelöst werden, wenn man mehrere Messungen mit unterschiedlichen Diffusionswiderständen der Messeinheit durchführt.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Messkopf 3. Auf der rechten Seite ist die Messeinheit 5 mit einer Länge L1 dargestellt. Es ein Verlängerungselement 18 vorgesehen, das auf die mindestens eine Messeinheit 5 aufsetzbar ist, wobei das Verlängerungselement 18 eine Verlängerungskammer 20 aufweist mit einer ersten und einer zweiten Öffnung 26, 24 wobei eine der beiden Öffnungen 26 auf der der Membran 4 abgewandten Seiteder Messkammer 7 aufsetzbar ist, so dass die Länge der Messkammer 7 verlängerbar ist. Durch das Verlängerungselement 18 wird die Messkammer 7 um den Betrag L2 verlängert. Durch Verlängerung der Messkammerlänge, kann der Diffusionswiderstand verändert werden. Es können unterschiedliche Verlängerungselemente mit unterschiedlichen Längen vorgesehen sein, so dass unterschiedliche Diffusionswiderstände vorgesehen werden können.
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4 zeigt zwei Messeinheiten 5' und 5", die jeweils in einem separaten Messkopf 3', 3" vorgesehen sind. Jeder Messkopf 3' und 3" weist somit jeweils eine Messeinheit 5' und 5" auf. Die Messeinheiten 5' und 5" weisen unterschiedliche Diffusionswiderstände auf. Die unterschiedlichen Messeinheiten 5' und 5" weisen insbesondere unterschiedliche minimale Messkammerquerschnitte auf. Die dargestellten Messkammern weisen jeweils einen konstanten Durchmesser auf. Die Messkammer der Messeinheit 5' weist einen Durchmesser D1 und die Messkammer der Messeinheit 5" weist einen Durchmesser D2 auf. D1 ist größer als D2. Die Längen der jeweiligen Messeinheiten 5' und 5" sollen in diesem Fall gleich sein. Es ist somit festzustellen, dass insbesondere durch Veränderung der Länge oder des Messkammerquerschnitts der Diffusionswiderstand der jeweiligen Messeinheit verändert werden kann.
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Messkopf 3,3' mit veränderbarem minimalen Messkammquerschnitt. An der Öffnung 4, die an der von der Membran abgewandten Seite der Messeinheit 5'" vorgesehen ist, ist eine Blende 30 vorgesehen. Der minimale Messkammerquerschnitt weist den Durchmesser D3 auf. Die Blende kann verstellbar sein, so dass der Messkammerquerschnitt veränderbar ist.
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6 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dort ist ein Messkopf 3IV dargestellt. Dieser Messkopf weist eine Vielzahl von Messeinheiten 5IV-5X auf. Die Messeinheiten weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Sensor 8 und 9 auf. Die Messeinheiten 5IV- 5X weisen jeweils unterschiedliche Messkammquerschnitte auf. Auf diese Weise weisen die jeweiligen Messeinheiten 5IV-5X unterschiedliche Diffusionswiderstände auf. Mittels dieses Messkopfs können zeitgleich sechs verschiedene Messungen durchgeführt werden. Der Messkopf hat jedoch den Nachteil, dass jeweils an unterschiedlichen Stellen der Hautoberfläche gemessen wird.
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Um dieses Problem zu lösen, weist das Ausführungsbeispiel gemäß 7 einen Messkopf 3V auf, der mehrere Messeinheiten 5XI-5XIII aufweist und jeweils Messkammern 32,34,36 aufweisen, die derart miteinander verbunden sind, dass sie eine gemeinsame Öffnung 6 aufweisen, die auf der Membran 2 aufliegt und jede Messkammer jeweils eine separate zweite Öffnung 4',4",4'" aufweist, die jeweils auf der von der Membran 2 abgewandten Seite der Messeinheit 5XI-5XIII angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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